Table Of ContentDiss. ETH Nr. 15230
Evolution of Unsteady Secondary Flows
in a Multistage Shrouded Axial Turbine
ABHANDLUNG
zur Erlangung des Titels
Doktor der Technischen Wissenschaften
der
EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE
ZÜRICH
vorgelegt von
JOËL PIERRE SCHLIENGER
Dipl. Masch.-Ing. ETH
geboren am 22. Juni 1971
in Thal (SG)
Angenommen auf Antrag von
Prof. Dr. Reza S. Abhari, Referent
Prof. Dr. T. Rösgen, Korreferent
Zürich 2003
... pour Claudia et Sara-Lou &
Mams, Paps et Nath
... Je laisse Sisyphe au bas de la montagne! On retrouve toujours son fardeau.
Mais Sisyphe enseigne la fidélité supérieure qui nie les dieux et soulève les ro-
chers. Lui aussi juge que tout est bien. Cet univers désormais sans maître ne lui
paraît ni stérile ni futile. Chacun des grains de cette pierre, chaque éclat minéral
de cette montagne pleine de nuit, à lui seul, forme un monde. La lutte elle-
même vers les sommets suffit à remplir un coeur d'homme. Il faut imaginer Si-
syphe heureux.
Le Mythe de Sisyphe
Albert Camus (1942)
I
ACKNOWLEDGEMENTS
I would like to thank Prof. Reza Abhari for his great support and contribution
during this project and years - also in difficult times. I also thank Prof. Thomas
Rösgen for accepting the role as co-examiner and for his suggestions and cor-
rections concerning this thesis. I’m very grateful to Prof. Georg Gyarmathy for
the opportunity to work on this challenging project.
The broad exchange (on any imaginable level) with Dr. Anestis Kalfas is
highly acknowledged and appreciated during these years. I’m very grateful to
him for various scientific discussions and brainstorming sessions.
I would like to thank Axel Pfau for his friendship and contributions during this
extensive project. It was a though time to work on this project, but we managed
to go through it together and in a very positive way.
The former Ringgitter-Team with Dr. Mike Sell and Dr. Martin Treiber is
greatly acknowledged for the scientific exchange during the first phase of the
AG-Turbo project. I greatly thank the Rigi-Team (Dr. Christian Roduner and
Matthias Schleer) for their friendly co-habitation and discussions on radial and
axial flow machines. For the important advises and help, concerning the instru-
mentation and measurement techniques, I would like to thank in particular Cor-
nel Reshef.
Weiter bedanke ich mich herzlich bei den Mitarbeitern der Laborwerkstatt,
im speziellen bei Peter Lehner, Hans Suter, Thomas Künzle und Christoph Rä-
ber für ihren ausserordentlichen Einsatz und Präzision in all den Jahren. Auch
in den Zeiten als es noch Fräsbänke und Klappmeter am Labor gab, war die Prä-
zision stets einzigartig.
I also take the opportunity to express my gratitude to everybody of the pre-
vious and actual members of the LSM for their friendship and contributions
over the last years of my stay at the Turbomachinery Laboratory.
I express my gratitude to our industrial partners, namely Dr. Peter Walker
and Dr. Ralf Greim from Alstom Power as well as Dr. Helmut Richter and Dr.
Erik Janke from Rolls-Royce Germany for their collaboration and interaction
during this AG-Turbo project "500 MW auf einer Welle".
Finally, I would like to thank all my friends and family members, in partic-
ular my wife Claudia and my daughter Sara-Lou, for their great support and un-
derstanding during this phase of my life.
September 2003 Joel Schlienger
II
III
ABSTRACT
This work presents the results of detailed unsteady flow measurements in a ro-
tating two stage shrouded axial turbine. The turbine was built at the Laboratory
of Turbomachinery at the ETH Zurich as part of this thesis. The design, the rig
engineering and the manufacturing of the turbine was one significant task of
this work. The resulting very precise facility is used to experimentally study the
evolution and convection of the unsteady secondary flow field and its interac-
tion with the blade rows in a real multistage environment.
The time-resolved flow field measurements in the second turbine stage are
performed with highly sophisticated miniature fast response pressure probes
and state-of-the-art pneumatic multi-hole probes for the steady flow field. The
unique combination of this versatile research facility and the advanced meas-
urement technology of fast response probes, makes the presented results very
unique. Novel probe calibration models and probe designs are developed and
validated in the turbine flow field. The engineering of highly automated data
reduction systems (HERKULES) lead to a powerful software tool for the post-
processing of the fast response pressure data within a few hours for a typical
area traverse of several hundred grid points.
The interaction of the rotor indigenous vortices with the downstream blade
rows are subject of significant loss generation due to the stretching of the vor-
tices as they convect through the downstream blades. This highly unsteady
process is measured in great detail at the exit plane of the first rotor. The un-
steady flow field is classified into three time periods for one blade passing
event. In the first period, the level of interaction between the vortices, the wakes
and the downstream blades is moderate and the turbine losses are minimal. The
second phase shows an interaction mechanism between the rotor vortical sys-
tem and the rotor wake, as the vortices are pushed towards the rotor suction side
due to the relative motion of the rotor and stator blades. The high loss fluid from
the wake is rolled up into the passage vortex and increases loss at the rotor hub
section. The turbine losses reach a maximum within the third period where the
vortices are tilted and stretched in the streamwise direction. The associated in-
crease of vorticity generates more shear and thus more loss. The measured
mechanism is typical for unsteady flows and losses in this type of flow environ-
ment.
The results of the labyrinth seal variation highlights the importance of the
reentry path of the leakage flow into the mainstream and indicates that the hub
and tip labyrinth design ought to be considered from different perspectives.
The prediction of secondary flows and flow profiles is achieved by a novel
flow model as shown in the thesis. The flow model is validated with experimen-
tal data wherein the results show excellent agreement with the measured data.
IV
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Arbeit dokumentiert die Resultate von zeitaufgelösten Mes-
sungen der instationären Strömungsfelder in einer zweistufigen Axialturbine
mit Deckbandgeometrie. Die Auswertung und Analyse der Messungen konzen-
triert sich wesentlich auf die Interaktionsmechanismen zwischen der Leckage-
und der Hauptströmung sowie auf die zeitabhängigen Sekundärströmungsfel-
der. Die dafür notwendige Versuchsanlage wurde am Labor für Strömungsma-
schinen der ETH Zürich entworfen und aufgebaut. Die Auslegung der Anlage
ist ein wichtiger Teil dieser Arbeit und daher im Detail beschrieben.
Die zeitaufgelösten Strömungsfelder der zweiten Turbinenstufe werden mit-
tels schneller aerodynamischer Sondentechnik gemessen sowie mit pneumati-
schen Mehrlochsonden für das zeitgemittelte Strömungsfeld. Die ideale
Kombination von schneller Sondenmesstechnik und hochpräziser Versuchsan-
lage führt zu neuen Messergebnissen und eröffnet dadurch neue Möglichkeiten
für die experimentelle Untersuchung von instationären Strömungen in Turbo-
maschinen. Neue Sondenentwicklungen und Kalibrationsmodelle werden in
dieser Arbeit beschrieben und validiert. Die durch die schnelle Sondenmess-
technik anfallenden enormen Datenmengen werden durch die Entwicklung von
leistungsfähigen Programm-Routinen automatisch reduziert und ausgewertet.
Die damit verbundene Datenstruktur sowie das Software-Konzept (HERKU-
LES) ist in dieser Arbeit detailliert beschrieben.
Die Interaktion der Rotor relativen Sekundärwirbel mit den Vorderkanten
der darauf folgenden Leiträder ist eine Ursache für den erhöhten Energieverlust
im Schaufelgitter. Die Konvektion der Wirbel durch das Leitrad hindurch und
dem damit verbundenen Strecken in Strömungsrichtung erhöht die Gitterverlu-
ste signifikant. Dieser instationäre Mechanismus wird mittels schneller Son-
dentechnik aufgelöst und quantifiziert. Der Interaktionsprozess lässt sich in
drei Phasen pro Schaufelperiode aufteilen. Die erste Phase bezieht sich auf eine
minimale Interaktion zwischen den Rotorwirbeln und der Leitradvorderkante.
Die damit verbundenen Verlust erreichen dabei ein Minimum. In der zweiten
Phase nähern sich die Wirbel der Leitradvorderkante und werden dadurch ge-
gen die Rotorhinterkante gedrückt. Dabei interagiert der Passagenwirbel mit
der Nachlaufdelle der Rotorhinterkante, was zu einem Abfallen der Total-
druckverteilung am Rotoraustritt führt. Aufgrund dieser Interaktion gelangt
verlustbehaftetes Fluid aus der Nachlaufdelle in die Hauptströmung und verur-
sacht den Totaldruckabfall. Die dritte Phase beschreibt eine intensive Interak-
tion zwischen Sekundärwirbel und Leitrad. Die Gitterverluste erreichen zu
diesem Zeitpunkt ein Maximum. Die damit verbundene Erhöhung der Wirbel-
stärke wird analysiert und diskutiert. Aufbauend auf diesen Ergebnissen lässt
sich ein Strömungsmodell für die Interaktion von Wirbel und Nachlaufdelle so-
